kwister.ru

Группа исследователей из Института Макса Планка (MPSD) в Гамбурге и Брукхейвенской национальной лаборатории в США продемонстрировала новый способ изучения беспорядка в сверхпроводниках с использованием терагерцовых импульсов света.

Адаптировав методы, используемые в ядерном магнитном резонансе, к терагерцовой спектроскопии, команда впервые смогла проследить эволюцию беспорядка в транспортных свойствах вплоть до температуры сверхпроводящего перехода. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Речь идёт о беспорядке в контексте физики конденсированного состояния, а именно о беспорядке в структуре и поведении сверхпроводников, который относится к наличию случайных или неупорядоченных флуктуаций в структуре или поведении системы, таких как неравномерное распределение атомов или молекул, дефекты или несовершенства в кристаллической структуре, случайные флуктуации температуры или давления, и неравномерное распределение электронов или других частиц в материале. Важность беспорядка в физике сопоставима только с трудностью его изучения. Например, свойства высокотемпературных сверхпроводников сильно зависят от изменений химического состава твёрдого тела.

Методы, позволяющие измерять беспорядок и его влияние на такие свойства, как сканирующая туннельная микроскопия, работают только при очень низких температурах и не учитывают эту физику вблизи температуры перехода.

Сверхпроводимость — квантовое явление, позволяющее электрическому току течь без сопротивления — является одним из важнейших явлений в физике конденсированного состояния благодаря своему преобразующему технологическому воздействию.

Многие материалы, которые становятся сверхпроводящими при так называемых «высоких температурах» (около -170°C), такие как купратные сверхпроводники, получают свои свойства от химического легирования, которое вносит беспорядок. Однако точное влияние этого химического изменения на их сверхпроводящие свойства остаётся нераскрытым. Купратные сверхпроводники — это тип сверхпроводников, которые содержат медь (Cu) и кислород (O) в своей структуре. Они являются перспективными материалами, которые имеют большие перспективы для использования в различных областях, но также требуют дальнейших исследований и разработок для решения существующих проблем и ограничений.

В сверхпроводниках и конденсированных системах в целом беспорядок обычно изучается с помощью экспериментов с точным пространственным разрешением, например, с использованием чрезвычайно острых металлических наконечников. Однако чувствительность этих экспериментов ограничивает их применение температурами жидкого гелия, намного ниже сверхпроводящего перехода, тем самым препятствуя изучению многих фундаментальных вопросов, связанных с самим переходом.

Черпая вдохновение из методов многомерной спектроскопии, изначально разработанных для ядерного магнитного резонанса, а затем адаптированных к видимым и ультрафиолетовым оптическим частотам химиками, изучающими молекулярные и биологические системы, исследователи MPSD расширили этот класс методов до терагерцового диапазона частот, где резонируют коллективные моды твёрдых тел.

Этот метод заключается в последовательном возбуждении материала несколькими интенсивными терагерцовыми импульсами, как правило, в коллинеарной геометрии, в которой импульсы распространяются в одном направлении.

Для исследования купратного сверхпроводника La 1,83 Sr 0,17 CuO 4 — непрозрачного материала, пропускающего минимальное количество света, — группа расширила обычную схему, впервые реализовав двумерную терагерцовую спектроскопию (2DTS) в неколлинеарной геометрии, что позволило исследователям изолировать определенные терагерцовые нелинейности по направлению их излучения.

Используя эту технологию 2DTS с угловым разрешением, исследователи наблюдали, что сверхпроводящий транспорт в купрате восстанавливался после возбуждения терагерцовыми импульсами, явление, которое они назвали «эхо Джозефсона».

Эти «эхо» показали, что беспорядок в сверхпроводящем транспорте был значительно ниже, чем соответствующий беспорядок, наблюдаемый в сверхпроводящей щели, измеренный с помощью пространственно-разрешённых методов, таких как эксперименты с использованием сканирующей микроскопии.

Более того, универсальность метода 2DTS с разрешением позволила команде впервые измерить беспорядок вблизи температуры сверхпроводящего перехода и обнаружить, что он остаётся стабильным вплоть до относительно высоких 70% от температуры перехода.

Помимо предоставления более глубокого понимания свойств купратных сверхпроводников, исследователи подчеркнули, что эти первые эксперименты открывают дверь для многих направлений. Помимо применения 2DTS с угловым разрешением к другим сверхпроводникам и квантовым материалам в более широком смысле, сверхбыстрая природа 2DTS делает его применимым к переходным состояниям материи, слишком кратковременным для обычных зондов беспорядка.

Учёные Национальной лаборатории Ок-Ридж разработали инновационную модель глубокого обучения для анализа высокоскоростных видеозаписей плазменных шлейфов во время процесса импульсного лазерного осаждения (PLD).

Эта модель, представленная в журнале npj Computational Materials, представляет собой тип искусственного интеллекта, имитирующий работу человеческого мозга, и призвана автоматизировать контроль качества и раскрыть новые аспекты поведения микроскопических частиц во время формирования плёнок.

PLD — метод, использующий мощные лазерные импульсы для испарения целевого материала, создавая плазменный шлейф, который затем оседает на поверхности мишени, образуя сверхтонкие плёнки. Этот метод имеет ключевое значение для создания материалов, используемых в электронике и энергетических технологиях.

«Мы научили ИИ делать то, что опытные учёные всегда делали интуитивно — оценивать плазменный шлейф, чтобы проверить, выглядят ли цвет, форма, размер и яркость такими же, как в прошлый раз, когда был создан хороший образец. Это не только автоматизирует контроль качества, но и открывает неожиданные выводы о том, как ведут себя эти микроскопические частицы во время формирования плёнки», — сказал Самнер Харрис из ORNL, ведущий автор исследования.

Это нововведение основано на предыдущей разработке ORNL автономной системы PLD, которая в десять раз ускоряет разработку материалов, обещает трансформировать мониторинг синтеза материалов и упростить создание материалов следующего поколения.

Исследовательская группа обнаружила значительные нелинейные эффекты Холла и беспроводное выпрямление при комнатной температуре в элементарном полупроводнике теллуре (Te). Исследование было опубликовано в Nature Communications.

Нелинейный эффект Холла (NLHE) представляет собой реакцию второго порядка на приложенный переменный ток, которая может генерировать сигналы второй гармоники без введения внешнего магнитного поля. NLHE представляет значительный научный интерес из-за его потенциальных применений в устройствах удвоения частоты и выпрямления. Эти устройства могут быть использованы в различных приложениях, таких как радиолокация, телекоммуникации и электронная техника.

Однако предыдущие исследования столкнулись с такими проблемами, как низкие выходные напряжения Холла и низкие рабочие температуры, что затрудняло практическое применение NLHE. В настоящее время «эффект» при комнатной температуре наблюдался только в полуметалле Дирака BaMnSb2 и полуметалле Вейля TaIrTe4, оба из которых демонстрируют относительно небольшие выходные напряжения и не обладают настраиваемостью. Это ограничивает их применение в устройствах и делает их менее гибкими и менее перспективными для использования в различных приложениях.

Для решения этих проблем исследовательская группа приняла решение искать системы, демонстрирующие исключительные NLHE в полупроводниковых материалах. Они изучили нелинейный отклик Te, узкозонного полупроводника, характеризующегося одномерными атомными спиральными цепочками структур, которые по своей сути нарушают инверсионную симметрию, что делает Te идеальным кандидатом.

Команда обнаружила значительный NLHE при комнатной температуре в тонких «чешуйках» Te с настраиваемыми выходами напряжения Холла, модулированными внешними напряжениями затвора. При 300 К максимальный выход второй гармоники может достигать 2,8 мВ, что на порядок выше предыдущих достижений. С помощью дальнейших экспериментов и теоретического анализа учёные обнаружили, что наблюдаемый NLHE в тонких Te в первую очередь обусловлен внешним рассеянием, причем нарушение симметрии поверхности тонкой структуры «чешуек» играет решающую роль.

Опираясь на это достижение, команда заменила переменный ток радиочастотными (РЧ) сигналами, реализовав беспроводное РЧ-выпрямление в Те. Они добились стабильного выпрямленного выходного напряжения в широком диапазоне частот от 0,3 до 4,5 ГГц.

В отличие от обычных выпрямителей, которые используют pn-переходы или переходы металл-полупроводник, выпрямитель Холла, основанный на свойствах Те, обеспечивает широкополосный отклик при нулевом смещении, что делает его привлекательным вариантом для разработки эффективных и надёжных устройств сбора энергии и беспроводной зарядки.

Раскрывая основные механизмы нелинейного переноса энергии в Te, это исследование расширяет знания о нелинейном переносе в твёрдых материалах и открывает новые возможности для будущего развития современных электронных устройств.

Группу возглавляли профессор Цзэн Чанган и научный сотрудник Ли Линь из Китайского университета науки и технологий (USTC) Китайской академии наук (CAS).

Астрономы, используя космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), подтвердили, что сверхмассивные чёрные дыры могут лишать свои родительские галактики материала, необходимого для формирования новых звёзд. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Международная группа использовала JWST для наблюдения галактики размером с Млечный Путь в ранней Вселенной, примерно через два миллиарда лет после Большого взрыва. Как и большинство крупных галактик, она имеет сверхмассивную чёрную дыру в своем центре. Однако эта галактика по сути «мертва»: она практически перестала формировать новые звёзды.

«Основываясь на более ранних наблюдениях, мы знали, что эта галактика находится в состоянии угасания: она не формирует звёзды и мы полагаем, что существует связь между чёрной дырой и остановкой звездообразования. Однако до "Уэбба" мы не могли достаточно подробно изучить галактику, чтобы подтвердить эту связь, и не знали, является ли это состояние затухания временным или постоянным», — сказал соавтор исследования доктор Франческо Д'Эухенио из Института космологии Кавли в Кембридже.

Эта галактика GS-10578, прозванная «Галактикой Пабло» в честь астронома, который решил подробно её изучить, является слишком большой для столь раннего периода существования Вселенной: её общая масса примерно в 200 миллиардов раз превышает массу нашего Солнца, а большинство звёзд образовались между 12,5 и 11,5 миллиардами лет назад.

«В ранней Вселенной большинство галактик формируют множество звёзд, поэтому интересно увидеть такую ??огромную галактику без активного звездообразования в этот период времени. Если у неё было достаточно времени, чтобы достичь таких огромных размеров, то какой бы процесс ни остановил звездообразование, он, вероятно, произошёл относительно быстро», — добавил соавтор профессор Роберто Майолино, также из Института космологии Кавли.

Используя JWST, исследователи обнаружили, что эта галактика выбрасывает большие объёмы газа со скоростью около 1000 километров в секунду, что достаточно быстро, чтобы избежать гравитационного притяжения галактики. Этот процесс «выталкивания» из галактики обусловлен чёрной дырой.

Как и другие галактики с аккрецирующими чёрными дырами, «Галактика Пабло» имеет быстрые потоки горячего газа, но эти газовые облака разрежены и имеют небольшую массу. Телескоп обнаружил присутствие нового компонента, который не мог быть замечен с помощью более ранних наблюдений. Этот газ холоднее, что означает, что он плотнее и — что важно — не излучает света. JWST, с его превосходной чувствительностью, может «видеть» эти тёмные газовые облака за счёт того, что они блокируют часть света от галактики позади них.

Масса газа, выбрасываемого из галактики, больше, чем требуется галактике для продолжения формирования новых звёзд. По сути, чёрная дыра морит «галактику голодом».

Хотя более ранние теоретические модели предсказывали, что чёрные дыры оказывают подобное воздействие на галактики, до наблюдений при помощи JWST не было возможности обнаружить этот эффект напрямую.

Более ранние модели предсказывали, что окончание звездообразования оказывает сильное, турбулентное воздействие на галактики, разрушая их форму в процессе. Но звёзды в этой дискообразной галактике всё ещё движутся упорядоченным образом, что говорит о том, что это не всегда так.

Новые наблюдения с помощью Большого массива миллиметровых-субмиллиметровых телескопов Атакамы (ALMA), нацеленного на самые холодные и тёмные газовые компоненты галактики, расскажут больше о том, скрывается ли в этой галактике остаточное топливо для звездообразования и где именно, а также каково влияние сверхмассивной чёрной дыры на область, окружающую галактику.